第8章超导选读.ppt

第五章 超导材料 5.1 零电阻现象 电力传输中电阻发热，浪费和副作用； 零电阻 1911年荷兰的卡茂林·昂尼斯教授将液态水银冷凝成固态导线（-40℃ ），并将温度降低到－269℃左右时，出现了我们梦想的奇迹：水银导线的电阻突然完 全消失了。由于昂 尼斯在超导方面的 卓越贡献，他获得 了诺贝尔奖。 如果将这种无电阻导线做成闭合电路，电流就可以永无休止地流动下去。确实也有人做了：将一个铅环冷却到7.25K以下，用磁铁在铅环中感应出几百安培的电流，从1954年3月16日直到1956年9月5日，铅环中的电流不停流动，数值也没有变化。 人们把这种零电阻现象（必要条件）称为超导现象，凡具有超导性的物质称为超导体或超导材料。 超导现象并不是在任意的温度下都能发生，只有当超导体温度降到一定数值时，才会发生超导现象，这个温度被称为超导临界温度Tc。 5.2 迈斯纳效应 电阻为零的理想导体≠超导体。 1933年德国物理学家迈斯纳和奥克森费尔特发现：超导态下，超导体内的磁场强度H总为零，即具有完全抗磁性，这种现象就是迈斯纳效应。 零电阻现象和完全抗磁性是超导体两个最基本，而且互相独立的特性。 5.3 产生超导的原因 在常温下，金属原子失去外层电子而成为正离子，规则排列在晶格的结点上作微小振动；自由电子无序地充满在正离子周围。在电压作用下，自由电子的定向运动就成为电流。自由电子在运动中受到晶格和杂质、缺陷的散射，产生电阻。 BCS理论： （J.Bardeen, L.N.Cooper, J.R.Schrieffer） 当在超导临界温度以下时，自由电子将不再完全无序地“单独行动”，会形成“电子对”（即“库珀电子对”）。 两个电子组成电子对后，其中一个即使受到晶格振动或杂质碰撞的阻碍，电子对中的另一个电子也会起到调节作用，使电子通路不受影响，出现超导现象。 温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合愈牢固，不同电子对之间相互的作用力愈弱。 而当温度升高以后，电子对因受热运动的影响而遭到破坏，就失去了超导性。 以上就是著名的BCS理论，它表现了目前许多科学家对超导现象的理解，但这并不是最终答案，高温超导体的发现又需要人们进一步探索超导的奥秘。 5.4 超导体的临界条件 其一是临界温度Tc。 其二是临界磁场Hc。 当TTc，高于Hc的磁场作用于超导态的超导体时，磁力线将穿入超导体，超导态被破坏而转入正常态。 其三是临界电流密度Jc。就是保持超导态的最大输入电流。 三个性能指标，相互关联； 一般说是越高越好。 5.5 第一类超导体和第二类超导体 第一类超导体只有一个临界磁场Hc； 当HHc时，超导态； 当HHc时，正常态。 绝大多数元素超导体属于第一类超导体。（除V、Nb、Ta） 第二类超导体有两个临界磁场。 当HHc1时，超导态；完全禁止磁场线进入体内。 当 Hc1 H Hc2时，材料具有超导区和正常区相混杂的结构。这时超导体电阻为零，但磁场线可以部份地进入材料体内。 当HHc2时，正常态。 合金和化合物超导体都是第二类超导体。 5.6 约瑟夫森效应 量子隧道效应： 电子具有穿过比其自身能量还要高的势垒的本领。当然，穿透几率随势垒的高度和宽度的增加而迅速减小。 例如：在两块Al夹入一层很薄的势垒（10-10m的绝缘层），在两块Al之间加上电势差，就有电流流过绝缘层，这就是正常金属的隧道效应。 经典 量子 约瑟夫森效应： （1962年，剑桥大学的博士后约瑟夫森） 通过计算表明，当绝缘层小于1.5～2um时，除了前面所述的正常电子的隧道电流外，还会出现一种与库珀电子对相联系的隧道电流，而且库珀电子对穿越势垒后，仍保持其配对的形式。这种不同于单电子隧道效应的新现象，称为约瑟夫森效应。 高温超导材料主要制备方法 5.7 超导材料的发展 ——高温超导氧化物（陶瓷） 5.8 超导材料的应用与前景 5.8.1 让电流畅通无阻 超导输电电缆： 我国目前15％的电能损耗在输电线路上，达900多亿千瓦时。 将超导电缆放在绝缘、绝热的冷却管里，管里盛放冷却介质，如液氦等，保证整条输电线路都在超导状态下运行。这样的超导输电电缆比普通的地下电缆容量大25倍，可以传输几